Tiede edistyy ja kehittyy parhaillaan. Ydinvoimala on jo keksitty. Tällainen energialähde voi kestää jopa 50 ja joskus jopa 100 vuotta. Kaikki riippuu koosta ja käytetystä radioaktiivisesta aineesta.
Rosatom ilmoitti ensimmäisenä ydinvoima-akun tuotannosta. Vuonna 2017 yritys esitteli prototyypin näyttelyssä.
Tutkijat ovat onnistuneet optimoimaan ydinakun kerrokset, jotka käyttävät nikkeli-63-isotoopin beetahajoamista sähkön tuottamiseen.
Yksi gramma tätä ainetta sisältää 3300 milliwattituntia.
Miten atomiakku toimii
Atomi-akku, joka tunnetaan myös radioisotooppilämpögeneraattorina (RIHG), on virtalähde, joka käyttää radioaktiivisten isotooppien hajoamisprosessia lämmön tuottamiseen ja muuntamiseen sähköenergiaksi.
Atomi-akun toimintaperiaate perustuu radioaktiiviseen hajoamiseen, jossa atomien ytimet hajoavat ja vapauttavat hiukkasia ja energiaa. Yksi yleisimmistä atomi-akuissa käytetyistä materiaaleista on plutonium-238, jolla on pitkä puoliintumisaika. Plutonium-238 hajoaa uraani-234:ksi ja vapauttaa alfahiukkasia. Nämä hiukkaset sisältävät paljon energiaa, joka muuttuu lämmöksi vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa.
Lämmöntuotanto on atomiakun toiminnan kannalta keskeinen vaihe. Lämpö siirtyy lämmönvaihtimen kautta termoelektriseen muuntimeen. Tämä muunnin sisältää materiaaleja, jotka kykenevät tuottamaan sähkövirtaa lämpötilaeron vaikutuksesta. Näin ollen plutonium-238:n radioaktiivisen hajoamisen lämpö siirtyy termoelektrisen muuntimen toiselle puolelle, jolloin sen kahden puolen välille syntyy lämpötilaero. Tämä lämpötilaero mahdollistaa sähköenergian tuottamisen Seebeckin termoelektrisen ilmiön avulla.
Termoelektrisen muuntimen tuottamaa sähköenergiaa käytetään sähkölaitteiden virranlähteenä. Atomiparistojen tärkein etu on, että ne tarjoavat vakaan ja pitkäkestoisen energialähteen, jota ei tarvitse vaihtaa tai ladata uudelleen vuosien ajan. Radioaktiivisten materiaalien käytön vuoksi atomiparistoihin liittyy kuitenkin tiettyjä riskejä ja ne vaativat erityisiä turvatoimia käytön ja käsittelyn aikana.
Ovatko ydinvoimalat vaarallisia?
Kehittäjät väittävät, että nämä akut ovat täysin turvallisia tavallisille ihmisille. Tämä johtuu siitä, että kotelo on hyvin suunniteltu.
Beetasäteilyn tiedetään olevan haitallista keholle. Mutta uudessa ydinakussa se on pehmeää ja imeytyy energiakennoon.
Tällä hetkellä asiantuntijat tunnistavat useita teollisuudenaloja, joilla Venäjän A123-ydinvoima-akkua on tarkoitus käyttää:
- Lääke.
- Avaruusteollisuus.
- Teollisuus.
- Kuljetus.
Näiden alueiden lisäksi uusia pitkäkestoisia energialähteitä voidaan käyttää myös muilla alueilla.
Ydinvoimapariston edut
Useita positiivisia ominaisuuksia korostetaan:
- Kestävyys. Ne voivat kestää jopa 100 000 vuotta.
- Kyky kestää kriittisiä lämpötiloja.
- Pienen kokonsa ansiosta ne ovat kannettavia ja sopivat käytettäväksi kompakteissa laitteissa.
Ydinasun haitat
- Tuotannon monimutkaisuus.
- Säteilyaltistuksen riski on olemassa, erityisesti jos kotelo on vaurioitunut.
- Kallis. Yksi ydinakku voi maksaa 500 000–4 500 000 ruplaa.
- Saatavilla rajoitetulle piirille ihmisiä.
- Pieni valikoima.
Ydinakkujen tutkimusta ja kehitystä tekevät paitsi suuret yritykset myös tavalliset opiskelijat. Esimerkiksi Tomskissa opiskelija on kehittänyt oman ydinvoimalla toimivan akun, joka voi toimia noin 12 vuotta ilman uudelleenlatausta. Keksintö perustuu tritiumin hajoamiseen. Akun ominaisuudet pysyvät muuttumattomina ajan kuluessa.
Ydinakku älypuhelimille
Vuodesta 2019 lähtien puhelimia valmistetaan ydinvoimalähteillä. Ne näyttävät samalta kuin alla olevassa kuvassa.
Ne muistuttavat mikrosirua, joka sopii matkapuhelimen erityisiin paikkoihin. Tällainen akku voi kestää 20 vuotta, eikä sitä tarvitse ladata tänä aikana. Tämä on mahdollista ydinfissioprosessin ansiosta. Tämä energialähde voi kuitenkin olla monille hälyttävä. Loppujen lopuksi kaikki tietävät, että säteily on haitallista ja vahingollista keholle. Ja harvat ihmiset nauttisivat tällaisen puhelimen kantamisesta mukanaan koko päivän.
Mutta tiedemiehet väittävät, että tämä ydinakku on täysin turvallinen. Vaikuttavana aineena käytetään tritiumia. Sen hajoamisen aikana syntyvä säteily on vaaratonta. Voit nähdä tritiumin toiminnassa pimeässä hohtavasta kvartsikellosta. Akku kestää jopa -50 °C:n lämpötiloja ja toimii luotettavasti jopa 150 °C:n lämpötiloissa.0Samaan aikaan sen työssä ei havaittu vaihteluita.
Olisi mukavaa, jos tällainen akku olisi käsillä, ainakin puhelimen lataamiseksi tavallisella akulla.
Tällaisen akun jännite vaihtelee 0,8 ja 2,4 voltin välillä. Se tuottaa myös 50–300 nanoampeeria. Ja kaikki tämä tapahtuu 20 vuoden aikana.
Kapasiteetti lasketaan seuraavasti: C = 0,000001 W * 50 vuotta * 365 päivää * 24 tuntia / 2 V = 219 mA
Akun nykyinen arvo on 1 122 dollaria. Muunnettuna rupliksi nykyisellä valuuttakurssilla (65,42) se olisi 73 400 ruplaa.
Missä ydinakkuja käytetään?
Soveltamisala on käytännössä sama kuin perinteisillä akuilla. Niitä käytetään:
- Mikroelektroniikka.
- Paine- ja lämpötila-anturit.
- Implantit.
- Litium-ioniakkujen varavirtalähteinä.
- Tunnistusjärjestelmät.
- Tunnit.
- SRAM-muistia.
- Vähävirtaisten prosessorien, kuten FPGA:n ja ASIC:n, virransyöttöön.
Nämä eivät ole ainoita laitteita; niiden luettelo laajenee merkittävästi tulevaisuudessa.
Nikkeli-63-ydinakku ja sen ominaisuudet
Tämä 63-isotooppiin perustuva ydinenergialähde voi kestää jopa 50 vuotta. Se toimii beeta-voltaalisen ilmiön avulla. Se on lähes identtinen valosähköisen ilmiön kanssa. Tässä ilmiössä puolijohdekidehilan elektroni-aukko-parit syntyvät nopeiden elektronien tai beetahiukkasten vaikutuksesta. Valosähköisessä ilmiössä ne syntyvät fotonien vaikutuksesta.
Nikkeli-63-atomiakku valmistetaan säteilyttämällä nikkeli-62-maalikohtia reaktorissa. Tutkija Gavrilovin mukaan tämä prosessi kestää noin vuoden. Tarvittavat maalit ovat jo saatavilla Zheleznogorskissa.
Jos vertaamme uusia venäläisiä nikkeli-63-ydinakkuja litiumioniakkuihin, ne ovat 30 kertaa pienempiä.
Asiantuntijat väittävät, että nämä energialähteet ovat turvallisia ihmisille, koska ne lähettävät heikkoja beetasäteitä. Lisäksi ne eivät vapaudu ulkoisesti, vaan pysyvät laitteen sisällä.
Tämä virtalähde sopii tällä hetkellä erinomaisesti lääketieteellisiin sydämentahdistimiin. Kehittäjät eivät kuitenkaan ole paljastaneet hintaa. Hinta voidaan kuitenkin laskea ilman niitä. Yksi gramma Ni-63:a maksaa tällä hetkellä noin 4 000 dollaria. Siksi täysin toimiva akku vaatisi merkittävän investoinnin.
Ydinakun koostumus
Nikkeli-63 uutetaan timanteista. Tämän isotoopin hankkiminen edellytti kuitenkin uuden teknologian kehittämistä kestävän timanttimateriaalin hiomiseksi.
Ydinakku koostuu emitteristä ja keräilijästä, jotka on erotettu toisistaan erityisellä kalvolla. Radioaktiivisen alkuaineen hajotessa se lähettää beetasäteilyä. Tämä johtaa sen positiiviseen varaukseen. Samanaikaisesti keräilijä latautuu negatiivisesti. Tämä luo potentiaalieron, joka synnyttää sähkövirran.
Pohjimmiltaan atomivoimakennomme on kerrostettu piirakka. 200 nikkeli-63-virtalähdettä on sijoitettu 200 timanttipuolijohteen väliin. Virtalähde on noin 4 mm korkea ja painaa 250 milligrammaa. Sen pieni koko on merkittävä etu venäläiselle atomienergiaakulle.
Oikeiden mittojen löytäminen on vaikeaa. Paksu isotooppi estää sen tuottamien elektronien pakenemisen. Ohut isotooppi on epäedullinen, koska se vähentää beetahajoamisten määrää aikayksikköä kohti. Sama pätee puolijohteen paksuuteen. Akku toimii parhaiten noin 2 mikronin isotoopin paksuudella, kun taas timanttipuolijohde vaatii 10 mikronia.
Mutta tiedemiesten tähänastiset saavutukset eivät ole raja. Pakokaasupäästöjä voitaisiin lisätä ainakin kolminkertaisiksi. Tämä tarkoittaa, että ydinakku voitaisiin tehdä kolme kertaa halvemmaksi.
Hiili-14-ydinakku, joka kestää 100 vuotta.
Tällä atomienergialla on seuraavat edut muihin säteilyenergialähteisiin verrattuna:
- Halpuus.
- Ympäristöystävällinen.
- Pitkä käyttöikä jopa 100 vuotta.
- Vähäinen myrkyllisyys.
- Turvallisuus.
- Kykenee toimimaan äärimmäisissä lämpötiloissa.
Radioaktiivisen hiili-14-isotoopin puoliintumisaika on 5 700 vuotta. Se on täysin myrkytön ja edullinen.
Yhdysvaltojen ja Venäjän lisäksi myös muut maat työskentelevät aktiivisesti ydinakkujen modernisoimiseksi! Tutkijat ovat oppineet kasvattamaan kalvoa karbidialustalle. Tämän seurauksena alustan hinta on laskenut 100-kertaisesti. Tämä rakenne on säteilynkestävä, mikä tekee tästä energialähteestä turvallisen ja kestävän. Käyttämällä piikarbidia ydinakuissa on mahdollista saavuttaa toiminta 350 celsiusasteen lämpötiloissa.
Näin tiedemiehet onnistuivat luomaan atomiakun omin käsin!
